第六章拱坝

第四章拱坝
主讲：戴全厚
第一节概述
一、拱坝的特点及类型
拱坝是固接于基岩的空间壳体结构，在平面上呈凸向上游的拱形，拱冠剖面呈竖直的或向上游弯曲。

坝体结构是由水平的拱圈和竖向的悬臂梁共同组成。

拱坝所承受的水平荷载一部分通过水平拱的作用传给两岸的基岩，另一部分通过竖向的悬臂梁的作用传到坝底基岩，如图6-1所示。

图6-1 拱坝平面及剖面示意图
拱坝在平面上呈拱形，可由混凝土及浆砌石筑成，其荷载主要借助拱的作用传给两岸，拱内主要是压应力，这样能充分发挥材料的抗压强度，故其断面尺寸比重力坝小。

所以，拱坝具有工程量小，投资少、工期短、见效怯等优点，在小流域治理及泥石流防治中应用广泛。

近年来，我国各地修建了不少中小型拱坝，在坝型、材料、地基处理、施工等方面积累了不少经验。

高拱坝也有了很
大的发展，河南
省某浆砌石拱坝，
坝高达95m。

小流域节拦蓄水拱
浆砌石重力拱坝
金沙江拱坝
小流域节拦蓄水拱
金沙江拱坝
浆砌石重力拱坝
⏹坝体的稳定主要是依靠两岸坝肩的反力来维持。

拱坝的坝肩是指拱坝所座落的两岸岩体部分，亦称拱座。

⏹拱冠梁系指位于水平拱圈拱顶处的悬臂梁，一般它位于河谷的最大深处。

1.拱坝的结构特点
（1）拱作用的结构特点
拱是一种主要承受轴向压力的推力结构。

拱内弯矩较小，应力分布比较均匀，这一特点能适应坝体材料（混凝土或浆砌石）抗压强度高的特性，使材料的强度得到充分的发挥。

对于同一坝址，坝高相同时，拱坝的体积比重力坝可节省1/3～2/3。

双曲砌石拱坝
（2）空间整体作用的特点
拱坝四周嵌固于基岩，属于高次超静定结构，当发生超载或产生局部裂缝时，坝体拱梁作用自行调整，坝体的应力将重新分配，原来低应力区的应力增大，高应力不再增长，裂缝停止发展甚至闭合。

根据国内外拱坝结构模型实验成果表明，拱坝的超载能力可达到设计荷载的5～11倍。

实例：意大利瓦依昂（Vajont）双曲拱坝，1961年建成，坝顶长190.5m，顶宽3.4m，底宽22.7m，最大坝高265.5m，是当时世界上最高的混凝土薄拱坝。

1963年10月9日晚，由于连续降雨，水库水位上涨，左岸靠坝的上游发生大体积岩石滑坡，近3亿m3的滑坡体以40 m/s 的速度滑入水库并冲上右岸，掀起150m高的涌浪，涌浪溢过坝顶，冲向下游，致使2600人丧生，但拱坝并未破坏，仅在坝肩附近的坝内发生二、三条裂缝。

据估算，拱坝当时已承受住相当于8倍设计荷载的作用力，由此可见该拱坝的超载能力。

（3）拱坝具有较高的抗震能力
拱坝是一个整体的空间壳体结构，坝体轻韧而富有弹性。

当基础及坝肩岩
体稳定时，其抗
震能力较强。

（4）荷载特点
对于拱坝，温度荷载
是主要荷载之一。

拱坝周边固接于基岩上，温度变化及地基变形等对坝体应力有显著影响。

据实测资料分析表明，由温度变化引起的径向位移，约占总位移的1/3～2/3。

（5）坝身泄流及施工较为复杂
拱坝坝身较为单薄，坝身溢流可能引起坝身及闸门振动，致使材料疲劳；坝身下泄水流具有向心集中作用，挑距不远，易于造成对河床及河岸冲刷；坝身开设泄水孔会破坏拱坝作用并使孔口周边应力复杂。

2．拱坝的类型
（1）按拱坝的厚高比分类
➢拱坝的厚高比(T
/H）小于0.2为薄拱坝；
B
➢厚高比在0.2～0.35之间的为中厚拱坝；
➢厚高比大于0.35的为厚拱坝；
（2）按拱坝曲率分类可分类
➢单曲拱坝
➢双曲拱坝（水平及竖向截面均呈曲线形）。

定外半径定中心角拱坝
等外半径变中心角拱坝
双曲拱坝
二、拱坝对地形及地质的要求1．地形条件
➢地形条件是决定拱坝的结构形式、工程布置
以及经济性的主要因素。

➢坝址处河谷形状特征通常用两个指标来表示，
即河谷“宽高比”及“河谷断面形状”。

➢宽高比（L/H）值小，说明河谷深窄，水平拱圈跨度较短，拱的刚度较大，受力大部分传给两岸，因而坝体较薄。

当L/H值较大时，坝体较厚。

图4-2给出了22座已建拱坝宽高比与坝体厚高比的关系曲线。

坝型地址比较
河谷形状对荷载分配及剖面的影响
由图4-2可见：
L/H＜1.5的深窄河谷中可建薄拱坝；L/H=1.5～3.0的中等宽度河谷可修建中厚拱坝；L/H>3～4.5的宽河谷多修建厚拱坝；当L/H>4.5的宽浅河谷，宜建重力坝或拱形重力坝。

但近代上述界限已被突破。

如：奥地利的希勒格尔斯双曲拱坝，坝高130m，L/H=5.5，TB/H=0.25；我国四川丰都县联合薄拱坝L/H达14.25，T
/H=0.25。

B
2．地质条件
●地质条件对拱坝布置影响很大，对高坝它是决定坝型
的主要因素。

●拱坝大部分荷载通过拱作用传到两岸，坝体的稳定是
靠两岸岩体重量和抗剪强度来维持的。

对于拱坝地基来说，两岸坝肩的岩体必须能够承受拱端传来的巨大推力。

设计时应尽量地避开有严重地质缺陷的坝址。

理想地质：基岩均匀单一、坚固完整、强度高、刚度大、抗水侵蚀和耐风化等。

实际很难找到理想地质条件，坝基总存在节理，裂隙，软弱层局部断裂破碎，因此，必须查明工程地质情况，采取妥善的处理措施，使其满足设计要求。

如龙羊峡拱坝，高178m，基岩被众多的断层和裂缝切割，岩体破碎，且位于9度强震区，但基础经过处理后，达到了设计要求；瑞士的康脱拉拱坝，有顺河向陡倾角断层，宽3m～4m，断层本身挤压破碎严重，但经过基础处理，成功地建成了高220m的拱坝
三、拱坝的分类
按拱和悬臂梁分摊荷载的比例来分类，拱坝可分
为薄拱坝、拱坝和重力拱坝等。

一般认为当坝底
厚度T和最大坝高H的比值T/H<l0%时，为薄拱坝；
T/H=10%～40%，为拱坝；T/H=40%～60%时，
为重力拱坝（图6-2）；当T/H=60%～80%时，则
属于重力坝。

图6-2 拱坝断面图
第二节拱坝断面的拟定和平面布置
设计拱坝时，一般是先拟定断面尺寸和
平面布置，然后进行稳定计算和应力分
析，经反复比较后，定出适宜的断面尺
寸和平面布置。

一、断面选择
➢拱坝断面主要包括：拱圈厚度、中心角和拱的半径。

1. 拱圈厚度
可先利用圆筒公式确定拱圈厚度T（图6-3）
图6-3拱圈厚度计算
假设环内只有轴向压力没有弯矩，则根据平衡条件可以得出以下公式：
式中：P ——所求拱圈的水压力，t/m 2，（P ＝γ0h ，其中γ0为水的容重，h 为水深）；2l ——河谷宽度，m ；[σ]——允许压应力，t/m 2，因忽略的因素多，应取偏小数值；α0——中心角之半，°；R ——拱圈外半径，m 。

RP T σ2)(2=]
[sin ][0σa Pl σPR T ==
2.最有利的中心角最有利的拱圈中心角2a ，应使拱圈的体积( )最小。

按圆筒公式让簋，当时，拱的体积最小，但因大中心角在实地布置时有困难，两岸岩石开挖太多，而且稳定性差，所以一般用的是。

T a V ⋅⋅︒
=γπ23602'︒=341332a ︒
︒=120~1102a
3.拱的半径拱的半径，要根据地形、地质及施工条件而定，可用下式计算：
sin a l r 式中：l ——河谷宽度的1/2，m 。

二、拱坝的平面布置
⏹拱坝布置的基本内容：根据地形、地质、水文及
施工条件，选择坝型；初拟坝体剖面基本尺寸、
坝体的平面布置等。

⏹拱坝布置的原则是：在满足坝体应力和坝肩稳定
的前提下，尽可能地使工程量最省，造价最低、
安全度高和耐久性好。

拱坝的平面轮廓因地形条件不同，大致有以下几类形式：等半径拱坝、等中心角拱坝、变半径变中心角拱坝和双向弯曲拱坝。

1．等半径拱坝
等半径拱坝在各个高程上拱圈的外半径（R）都相同，有垂直的上游面及倾斜的下游面。

特点：施工较简单，但工程量大，应力分布不太均匀，最大应力发生在距底部l/3高度范围内，拉力大，不便于坝顶溢流。

➢在U形河谷，各层拱的中心角和内半径都差不多，可采用定圆心等外半径拱坝（图6-4）
图6-4 定圆心等外半径拱坝（适用U形河谷）
➢在梯形河谷
梯形河谷由于下部较窄，若圆心不变，拱的中心角就很小，不够经济；故可采用定外圆心，等外半径，而变内圆心，变内半径的拱坝（图6-5），这种拱圈的厚度是变化的（从拱冠向拱端渐增）。